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This thesis explores the integration of digital technologies and active learning methodologies in physics education, focusing on both high school and introductory undergraduate laboratory courses. The research is motivated by the need to move away from traditional, teacher-centered approaches and embrace methods that actively engage students in the learning process. The first part of the thesis details the implementation of the E-CLASS (Colorado Learning Attitudes about Science Survey for Experimental Physics) survey in Italian undergraduate courses. This survey provided insights into students' attitudes towards experimental physics, guiding curriculum refinement to enhance learning outcomes. By analysing pre- and post-course data, we identified areas for improvement and adjusted teaching practices accordingly. The second part of the research focuses on the introduction of Jupyter Notebooks with Python in laboratory courses. We defined and introduced a set of laboratory computational learning goals that were incorporated into the course to foster students' abilities to write Python codes for data manipulation, analysis, and visualization, as well as to effectively communicate their work using Jupyter Notebooks. This approach aimed to lower the entry barrier to programming, enhancing students' computational skills, which are fundamental for modern scientific methodologies, and self-efficacy in a manner more aligned with professional physics practices. The effectiveness of the approach is described on the basis of multi-step assessments aligned with the defined learning goals. The third part of this research focuses on the implementation of the Investigative Science Learning Environment (ISLE) approach in high school physics courses using iOLab devices. ISLE is an inquiry-based methodology where students learn physics by practicing it, mirroring the activities of professional physicists. This approach involves students working in groups in generating and testing their own explanations for observed phenomena through hands-on experimentation. The ISLE methodology fosters critical thinking, problem-solving, and collaboration, essential for learning scientific practices. Initial results from the implementation show that students were highly engaged and appreciated the use of technology and group work in their learning process, although longer interventions are needed to significantly impact students' habits. In addition, a teaching module on introducing the FFT spectrum as a graphical representation to explore sound phenomena was presented using Jupyter Notebooks and smartphone sensors, further integrating computational elements into the curriculum. In conclusion, this thesis shows the potential of digital technologies and active learning methodologies in improving student learning. By fostering critical thinking, data analysis skills and scientific inquiry, these approaches significantly enhance the educational experience and prepare students for the complexities of 21st- century world.

4 The Abstrakt: The main target of the thesis is to complete and check the materials of inquiry- based education on the topic of 'water in human life'. This thesis has been based on the ESTABLISH project and it is divided into the theoretical and practical part. The theoretical part deals with the characteristics of inquiry-based education, its benefits and history. It introduces us to the national and foreign project and works that treat this type of education. The main passage of the thesis deals with the compilation and verification of materials for the inquiry-based activities within the thematic unit of 'water in human life'. Part of the materials is methodical handbook for teachers and worksheets for individual activities. Further on this thesis includes the results of a questionnaire for students. The feedback reflected verification of the activities and course of materials content and suitability assessment. Consequently, the thesis also includes the application of the questionnaire for educators which evaluated the awareness of the inquiry-based education and its existing usage by biology teacher on Prague grammar schools. Practical part contains the analysis of the exercises focused on water in relation to humans in selected biology and natural science teaching books. The Keywords: Education,...

Nesta pesquisa buscamos investigar e caracterizar normas e práticas culturais produzidas em aulas de Ciências organizadas pelo Ensino de Ciências por Investigação. Metodologicamente, o trabalho foi estruturado em duas etapas. Na primeira dessas, de cunho teórico, trazemos a articulação de referenciais que debatem o conceito de cultura; a discussão sobre cultura científica e sobre as normas sociais que organizam o processo de construção de conhecimento nas comunidades cientificas; e algumas implicações dessa discussão para o ensino de ciências. Dos estudos sobre cultura, aproximamo-nos de autores que trazem contribuições para pensá-la como maneiras de fazer socialmente construídas a partir dos repertórios disponíveis a um grupo, como práticas que se revestem de sentido nas ações cotidianas de sujeitos que lidam com as normas e empregam de forma criativa aquilo que recebem. Para pensar essas práticas no contexto do ensino de ciências, apresentamos algumas proposições sobre o ensino de ciências como prática que defendem que a disciplina de Ciências se organize em torno de dimensões conceituais, sociais, epistêmicas e materiais do trabalho científico, a fim de criar oportunidades para que os estudantes reconstruam e aprofundem suas ideias e explicações sobre o mundo natural, enquanto se engajam em processos simplificados de trabalho científico. Como uma possibilidade de promoção das quatro dimensões do trabalho científico em sala de aula, apontamos o Ensino de Ciências por Investigação que, em suas diferentes abordagens, preconiza que as atividades promovidas em sala de aula aproximem os estudantes de práticas investigativas. Na etapa empírica desta tese, apresentamos a análise qualitativa de três aulas de ciências que compõem a Sequência de Ensino Investigativa Navegação e Meio Ambiente, adotando como fontes de dados seu planejamento e o registro audiovisual de sua implementação em um 3º ano do Ensino Fundamental de uma escola pública paulistana. Nessas aulas, buscamos evidências de quais normas culturais estavam vigentes e organizavam o processo de construção e apreciação de explicações para os problemas propostos nas atividades da sequência. Já para discussão das práticas, buscamos descrever operações realizadas pela professora e pelos estudantes que nos indicavam como, naquela sala, eram produzidas e partilhadas práticas similares às desenvolvidas pelos membros de comunidades científicas no processo de construção de conhecimento. Como resultado desta pesquisa, destacamos que no planejamento da sequência analisada existem orientações que abrangem as quatro dimensões propostas para o ensino de ciências como prática e que essas aparecem com maior ou menor enfoque, conforme os objetivos, procedimentos e exercícios de cada atividade. Destacamos, também, a identificação de uma relação entre a vigência de normas que garantem um processo de criticidade durante o enfrentamento dos problemas propostos e a experiência de práticas ligadas ao processo não só de comunicação, mas de avaliação e validação de explicações. Percebemos, ainda, que à medida em que os estudantes e sua professora se engajaram nas atividades, negociaram sentidos para os problemas propostos e adotaram o repertório disponibilizado pela sequência, puderam se constituir como uma comunidade de práticas. / In this research we aimed to investigate and characterize cultural norms and practices produced in science classes organized by the Inquiry-Based Teaching. Methodologically, this work was structured in two stages. In the first of these, with a theoretical nature, we bring the articulation of references that debate the concept of culture; the discussion about scientific culture and the social norms that organize the process of knowledge construction in scientific communities; and some implications of this discussion for science teaching. From the studies on culture, we present authors who bring contributions to think about this concept as socially constructed ways of act created from the repertoires available to a group, as practices that are meaningful in the everyday actions of subjects that deal with norms and creatively use what they receive. To think about these practices in the context of science teaching, we present some propositions about science teaching as practice. These propositions advocate that the discipline of science should be organized around the conceptual, social, epistemic and material dimensions of scientific work in order to create opportunities for students to reconstruct and deepen their ideas and explanations of the natural world while engaging in simplified processes of scientific work. As a possibility to promote the four dimensions of scientific work in the classroom, we point to Inquiry-Based Teaching which, in its different approaches, advocates that the activities promoted in the classroom bring students closer to investigative practices. In the empirical stage of this thesis, we present the qualitative analysis of three science activities that compose the Inquiry-Based Teaching Sequence \"Navigation and Environment\", adopting as data sources its planning and the audiovisual record of its implementation in a 3rd year of Elementary School of a public school in São Paulo. In these classes, we searched for evidence of what cultural norms were in force and organized the process of constructing and appreciating explanations for the problems proposed in the sequence. To discuss the practices, we sought to describe the operations carried out by the teacher and the students that showed us how, in that room, practices similar to those developed by the members of scientific communities in the process of knowledge construction were produced and shared. As a result of this research, we highlight that in the planning of the analyzed sequence there are guidelines that cover the four dimensions proposed for teaching science as practice and that these appear with greater or lesser focus, according to the objectives, procedures and exercises of each activity. We also highlight the identification of a relationship between the validity of norms that guarantee a critical process during the confrontation of the proposed problems and the experience of practices related to the process of not only communication, but also evaluation and validation of explanations. We also realized that as the students and their teacher engaged in the activities, they negotiated meanings for the problems proposed and adopted the repertoire made available by the sequence, they could constitute a community of practices.

A educação científica tem se voltado para atividades pedagógicas que utilizam a prática investigativa de alunos. Um dos objetivos é que os estudantes se apropriem não apenas dos conceitos científicos, mas também das práticas específicas da atividade científica. Uma das pretensões é que os alunos desenvolvam a competência da argumentação científica. Esta investigação pretende compreender como os alunos desenvolvem sua argumentação escrita, analisando a utilização que fazem dos dados como evidências da seleção natural de forma a sustentar suas conclusões na resolução de questões investigativas sobre evolução biológica. Elaboramos uma sequência didática cuja arquitetura estabelece os alicerces para a ação pedagógica do professor e promove uma atuação investigativa dos alunos. A arquitetura da sequência tem duas bases integradoras: a) a educação científica baseada em investigação e b) a matriz de construção histórica da investigação de Darwin sobre a seleção natural como mecanismo da evolução biológica. Para investigar como seria o ensino da evolução biológica que recupera o viés da matriz investigativa utilizada por Darwin, nossa questão-problema foi construída com dois grandes focos: a) como articular intenções conceituais e metodológicas características da natureza das ciências biológicas com a abordagem dos principais obstáculos da construção histórica do conceito de seleção natural numa sequência didática baseada em investigação e b) de como é a utilização de dadosT como evidências da seleção natural na composição da estrutura argumentativa escrita de alunos de ensino médio durante a aplicação de uma Sequência de Ensino de Biologia Baseada em Investigação (SEEBI) para o ensino de evolução biológica. Para investigar nossa questão, elaboramos a SEBBI que foi aplicada por uma professora da rede pública para 125 alunos da 3ª série do ensino médio de uma escola pública estadual de São Paulo. Nossa metodologia é de abordagem qualitativa integrada a uma abordagem quantitativa. Nossos dados compõem-se de: a) materiais (apostilas, modelos experimentais, elementos audiovisuais utilizados nas aulas) e b) apostilas com respostas escritas pelos alunos após as atividades propostas. As análises foram realizadas a partir das apostilas escritas dos alunos, dos materiais elaborados e disponibilizados na SEBBI e na transcrição que realizamos. Os resultados mostram que a SEBBI tem alicerces em intenções conceituais e metodológicas características da biologia. Além disso, os resultados apontam para uma superação de obstáculos conceituais pelos alunos, como a teleologia cósmica e o fixismo, para a construção do conceito de seleção natural. Os resultados das análises apresentam uma melhora na capacidade argumentativa dos alunos, uma forte correlação entre o uso de dados de evolução biológica com a construção de argumentos de maior qualidade pelos alunos, pelo uso de justificativa (garantia e apoio) alicerçada em conhecimento científico. Há evidências da ampliação da construção de argumentos, tanto no aumento do número de componentes utilizados quanto na qualidade dos componentes campos-dependentes da ciência, como o apoio e evidências. Os argumentos construídos passam a apresentar a sustentação baseada em apoio conceitual específico do paradigma das ciências biológicas como a seleção natural, validando as conclusões a partir do uso de dadosT de Toulmin da investigação realizada pelos alunos. / The scientific education has focused on pedagogical activities that use students investigative practice. One of the objectives is so that students not only obtain the scientific concepts, but also the specific practices of science activity. It is a pretention that students develop their scientific argumentation competence. This investigation aims at understanding how students develop their written argumentation, analyzing their use of data as evidence of natural selection in order to sustain their conclusions about biological evolution investigative questions. We made a didactic sequence, which architecture establishes the foundation to the teachers pedagogical actions, and promotes students investigative actions. The sequence lies on two integrative bases: a) an investigation based scientific education and b) Darwins investigation on the natural selection as a mechanism of the historical construction matrix of biological evolution. In order to examine how would it be the biological evolution teaching based in Darwins investigative structure, our problem question was built with two main focuses: a) how could we articulate conceptual and methodological intentions, characteristic to biological sciences, with the approach of the main historical obstacles of natural selection in evolving into the concept of the mechanism of biological evolution in a didactic sequence based upon inquiry and b) how it is the use of data as evidence of natural selection in the high school students written argumentative structure during the application of Inquiry Based Biology Teaching Sequence (SEEBI, in Portuguese) to biological evolution teaching. To investigate our task, we developed a SEEBI that was applied by a public networks teacher to 125 high schools senior year students in a public school of São Paulo. Our methodology has qualitative and quantitative approaches. Our data consists of: a) materials (textbooks, experimental models, audio-visual resources used in class) and b) booklets with answers written by the students after the proposed activities. The data analyses were based upon these booklets, with students written answers, materials elaborated and posted in the SEEBI and also in the transcription we did. The results show that SEEBI has its foundation lied on conceptual and methodological intentions, characteristic to Biology. Furthermore, the results indicate an overcoming of conceptual obstacles as well, such as cosmic teleology and fixism, therefore, building the concept of natural selection as a mechanism of biological evolution. The study of the consequences presents an improvement in students argumentative ability, a strong correlation between the use of data from biological evolution with the construction of higher quality arguments by the students, using justifications (warranty and theoretical support) grounded in scientific knowledge. Theres evidence of an expansion of the arguments construction, both increasing the number of used components as well as the field-dependent components of sciences quality, such as support and evidence. The arguments constructed shall provide support based on specific conceptual assistance in paradigms of Biology, like natural selection, validating the findings from the use of data (Toulmin, 2006) in researches conducted by students.

Nos últimos anos aumentou o número de pesquisas que abordam aspectos epistemológicos no ensino de ciências, destacando a ideia de que este não deve se preocupar somente com a aquisição de conceitos, mas também deve possibilitar que os alunos se apropriem das práticas epistêmicas da ciência, favorecendo assim a Alfabetização Científica. As páginas que se seguem apresentam um estudo de caso qualitativo planejado e realizado para compreender como se dá o engajamento dos alunos em práticas epistêmicas da cultura científica. Nosso principal objetivo foi analisar as práticas de inscrição realizadas pelos alunos e suas relações com a produção de explicações e argumentos durante uma atividade investigativa sobre crescimento populacional de Lemna sp. Os dados da pesquisa foram coletados durante as aulas de biologia em duas classes do primeiro ano do ensino médio (alunos com idades entre 15 e 16 anos) de uma escola pública estadual da cidade de São Paulo. A análise da sequência didática e dos relatórios produzidos pelos alunos nos forneceu evidências de que as práticas epistêmicas experimentadas pelos alunos ao longo da atividade de investigação diferem a depender do tipo de dado coletado por eles, se de acordo com o modelo explicativo já conhecido ou diferente do previsto pelo modelo. Além disso, nossa análise evidenciou que o contexto de investigação constitui-se como importante repertório interpretativo das inscrições literárias produzidas pelos alunos, favorecendo a construção de explicações com garantia nos dados coletados. O contexto de investigação também se mostrou relevante na construção de argumentos, uma vez que a maioria das justificativas utilizadas era de natureza empírica, especialmente nos relatórios dos alunos que trabalharam com dados não previstos pelo modelo explicativo. Assim, após análise da sequência didática e dos relatórios produzidos pelos alunos, encontramos evidências de que a atividade de investigação propiciou oportunidades de engajamento em práticas epistêmicas da cultura científica, especialmente aquelas relacionadas à produção e intrepretação de inscrições literárias, o que favoreceu o processo de construção de explicações e argumentos, práticas fundamentais na produção do conhecimento científico. / In recent years increased the number of researches on epistemological aspects in science teaching, emphasizing the idea that this shouldn\'t be concerned only with the acquisition of concepts, but should also enable students to take ownership of epistemic practices of science, favoring so the Scientific Literacy. Here, is presented a qualitative case study planned and conducted to understand how is the engagement of students in epistemic practices of scientific culture. Our aim was to analyze the application of practices carried out by students and their relationship with the production of explanations and arguments during an investigative activity on growth of Lemna sp population. The data were collected during biology classes from high school classes in a public high school, São Paulo city, Brazil (students aged: 15 to 16 years). The analysis of the inquiry-based learning activity and reports produced by the students provided us with evidence that the epistemic practices experienced by the students during the research activity differ depending on the data type collected by them, in accordance with the explanatory model already known by students or different predicted by these model. In addition, our analysis showed that the research context constitutes an important interpretive repertoire of literary inscriptions produced by the students, favoring the construction of explanations to assure the data collected. The research context was also relevant in the construction of arguments, since most of the justifications used was empirical, especially, in the reports of the students who worked with data not provided by the explanatory model. So after a review of inquiry-based learning activity and reports produced by the students, we found evidence that this inquiry-based learning activity led engagement opportunities in epistemic practices of scientific culture, especially those related to production and interpretation of literary inscriptions, which favored the process of construction of explanations and arguments, fundamental issues for the production of scientific knowledge.

A mediação do professor é fundamental para a construção de argumentos em aulas de Ciências. Nesse sentido torna-se importante estudar as interações discursivas entre professor e alunos. O presente trabalho teve por objetivo analisar como os propósitos e as ações do professor estimulam a argumentação dos alunos em uma aula investigativa de ciências. Para caracterizar a mediação do professor foi utilizada a ferramenta analítica \"propósitos epistêmicos e ações típicas para promoção da argumentação\" de Ferraz e Sasseron (2014) e de Ferraz (2015), enquanto que o layout de Toulmin (TAP) (2006) foi utilizado para identificar os elementos do argumento construídos pelos alunos. Foram identificados dois argumentos contendo os elementos básicos do TAP construídos coletivamente ao longo da aula. Durante a construção dos argumentos, o professor utilizou os propósitos retomar, problematizar, explorar e qualificar. As ações \"retoma dado\" e \"explora ponto de vista\" contribuíram para a construção do elemento dado. A construção da garantia deveu-se as ações \"retoma conceito\", \"retoma informações\", \"explora ponto de vista\" e \"qualifica variáveis, objetos ou fenômenos\". A construção do elemento conclusão foi promovida pela ação \"propõe um problema\". As ações \"qualifica variáveis, objetos ou fenômenos\", \"qualifica explicações ou pontos de vista\", \"retoma informações\" e \"explora ponto de vista\" auxiliaram na construção do elemento refutação do TAP. A maior frequência dos propósitos explorar e qualificar deveu-se ao esforço do professor em promover a avaliação de dados e garantias que os alunos estavam utilizando para a construção de suas conclusões sobre a presença ou não de seres vivos na amostra analisada. / The mediation of the teacher is fundamental for the construction of arguments in science class. Like this it is important to study the discursive interactions between teacher and students. This study aimed to analyze how the teacher\'s purposes and actions stimulate the reasoning of students in an inquiry science class. The analytical tool \"epistemic purpose and typical actions to promote the argumentation\" (FERRAZ; SASSERON, 2014; FERRAZ, 2015) was used to characterize the mediation of the teacher while the Toulmin Argument Pattern (TAP) (2006) was used to identify argument elements built by students. Two arguments containing the basic elements of TAP collectively built along class were identified. During the construction of the arguments, the teacher used the purpose resume, problematize, explore and qualify. The actions \"given recovery\" and \"explores view\" contributed to the construction of the data element. The construction of the warrants was due to the actions \"recovery concept\", \"recovery information\", \"explores points of view\" and \"qualifies variables, objects or phenomena\". The construction element conclusion was promoted by the action \"proposes the problem\". The actions \"qualifies variables, objects or phenomena\", \"qualifies explanations or points of view\", \"recovery information\" and \"explores perspective\" helped in the construction of refutation element of TAP. The highest frequency of the purposes explore and qualify was due to the teacher\'s effort to promote the evaluation of data and warrants that students were using to build its conclusions on the presence or absence of living organisms in the sample.

O presente trabalho foi realizado com a premissa de que, desde os primeiros anos de escolarização, os alunos precisam ser envolvidos em processos de investigação científica. Com a inserção de crianças de 6 anos no Ensino Fundamental (EF), surgiu uma série de indagações relacionadas ao Ensino de Ciências (EC), dentre as quais emerge a questão central desta pesquisa: É possível verificar o engajamento das crianças de 6 anos em processos de investigação científica?. Com enfoque essencialmente qualitativo e perspectiva de estudo de caso, estruturou-se uma Sequência de Ensino Investigativa (SEI) para os alunos dessa faixa etária, pertencentes a uma escola de Ribeirão Preto, São Paulo. As atividades que compõem a SEI foram divididas em três momentos: pré-investigação, investigação e pós-investigação. Com foco no processo de aprendizagem e significação de conceitos, a sequência teve o intuito de verificar algumas habilidades associadas ao fazer científico. Para tanto, foram analisadas as discussões orais, a partir da gravação de aulas e transcrição das falas, bem como as representações gráficas dos alunos, compondo, portanto, três fontes de dados: vídeos, falas e desenhos. Esses dados foram examinados com base em categorias relacionadas ao processo de investigação científica e ao conhecimento do ser vivo estudado. Por meio da observação de um ciclo de vida completo, os alunos vivenciaram oportunidades reais para levantar hipóteses, testar suas ideias, manusear materiais, coletar dados, manipular tabelas e gráficos, registrar informações, assim como articular, avaliar e revisar seus modelos de crescimento e desenvolvimento dos seres vivos. Os desenhos produzidos pelos alunos foram capazes de comunicar as atividades realizadas, tanto no que diz respeito ao ser vivo estudado como em relação aos materiais utilizados no processo de investigação. As habilidades empregadas pelos alunos, em suas comunicações orais ou representações gráficas, são ferramentas necessárias para o envolvimento com a cultura científica. Assim, acredita-se que as discussões científicas, no contexto da sala de aula, possuem implicação direta com o EC e devem ser fomentadas desde os primeiros anos do EF, visando à construção de novos conceitos e ferramentas científicas e ao envolvimento crescente dos alunos em processos de Alfabetização Científica (AC). / The present paper was developed with the premise that, since the early years in school, the students need to be involved in scientific inquiry-based processes. With the insertion of 6-year-old children in the Elementary School, a series of inquiries related to Science teaching came up, among which emerges the central question in this research: \"Is it possible to check the engagement of 6-year-old children in scientific inquiry-based processes?\". With essentially qualitative focus and case study perspective, an Inquiry-Based Teaching Sequence (IBTS) was structured to the students this age who belong to a school in Ribeirão Preto, in São Paulo state. The activities that make up the IBTS were divided in three moments: preinquiry, inquiry and postinquiry. Focusing in the learning process and in the meaning of concepts, the sequence had the intention to check some skills associated with the scientific doing. For this, oral discussions were analysed, starting with the recordings of the classes and the speech\'s transcription, as well as the students\' graphic representations which then made up three data sources: videos, speech and drawings. These data were examined based on categories related to the scientific inquiry-based process and the knowledge of the studied living being. Through the watching of a complete life cycle, the students experienced real opportunities to make hypothesis, test their ideas, handle materials, collect data, handle charts and graphics, and register information, as well as articulate, evaluate and review their growth models and living beings development. The drawings made by the students could communicate the performed activities, concerning both to the studied living being and to the materials used in the inquiry-based process. The skills used by the students in their oral communications or graphic representations are necessary tools to the engagement with the scientific culture. Therefore, it is believed that the scientific discussions, in the classroom context, have direct implication with the ST and must be encouraged since the early years in Science teaching, leading to the building of new concepts and scientific tools and also the growing engagement of the students in Scientific Literacy processes.

Diploma thesis analyzes pupils' ability to solve inquiry based tasks in biology lessons with regard to original problem solutions and application of theoretical knowledge. The thesis also analyzes in what types of tasks are pupils more successful and what type of problem solution they prefer. The practical part contains four worksheets with inquiry based tasks, which were created and presented to primary school pupils for the purposes of this thesis. The next part of the thesis is a summary of pupils' solutions, which are discussed at the end of the thesis.